Détecteurs infrarouges InSb

Les détecteurs infrarouges InSb sont sensibles à des longueurs d’onde allant approximativement de 1 µm à 5,5 µm. Cette plage couvre la majeure partie de la bande infrarouge à ondes moyennes (MWIR). La longueur d’onde de coupure du détecteur du côté des grandes longueurs d’onde se situe autour de 5,3–5,5 µm et est déterminée par la bande interdite de l’antimoniure d’indium à des températures cryogéniques. Des longueurs d’onde plus courtes, jusqu’à ~1 µm, sont également détectées (les photons dont l’énergie est supérieure à la bande interdite génèrent un signal), ce qui signifie que ces photodiodes couvrent une partie du proche infrarouge jusqu’à l’ensemble de la région MWIR.

Les détecteurs InSb doivent être refroidis de manière cryogénique (généralement à environ 77 K, le point d’ébullition de l’azote liquide) pour atteindre leur haute sensibilité. À température ambiante (300 K), une photodiode InSb souffrirait d’un courant d’obscurité extrêmement élevé et d’un bruit thermique important en raison de la faible bande interdite du matériau. Le refroidissement du détecteur à 77 K (ou à des températures basses similaires) supprime une grande partie de ce bruit thermique et réduit fortement le courant d’obscurité. Le détecteur peut ainsi fonctionner dans un régime limité par le fond, où la source de bruit dominante est le fond infrarouge externe plutôt que le propre bruit thermique du détecteur. En pratique, ces détecteurs sont souvent intégrés dans des dewars à azote liquide ou dans des systèmes de réfrigération à cycle fermé afin de maintenir la basse température nécessaire pendant l’utilisation.

Les performances infrarouges limitées par le fond (BLIP) signifient que le bruit du détecteur est principalement causé par le rayonnement de fond (infrarouge ambiant provenant de l’environnement ou de la scène), plutôt que par les sources de bruit internes du détecteur. En d’autres termes, une fois le détecteur InSb correctement refroidi, son propre bruit de lecture et le bruit de courant d’obscurité deviennent si faibles que le niveau de bruit résiduel est déterminé par les fluctuations statistiques des photons de fond incidents. Il s’agit en réalité d’une situation souhaitable, car cela implique que le détecteur fonctionne à sa limite théorique de sensibilité compte tenu de l’environnement. Un détecteur BLIP peut atteindre une très haute détectivité, car toute réduction supplémentaire du bruit interne n’améliorerait pas significativement les performances – seule une réduction du fond (par exemple en réduisant le champ de vision ou en utilisant des filtres spectraux) permettrait d’obtenir une amélioration sensible de la sensibilité. Les ingénieurs exploitent parfois cela en utilisant des ouvertures refroidies ou des filtres d’interférence pour limiter le fond atteignant le détecteur, améliorant ainsi encore le rapport signal/bruit dans des conditions de mesure spécifiques.

Ces détecteurs en antimoniure d’indium offrent une très haute sensibilité dans le moyen infrarouge. Leur détectivité de crête D est de l’ordre de 10^11 cm·Hz^1/2/W (ou davantage) à la longueur d’onde optimale (autour de 5 µm) lorsqu’ils fonctionnent à 77 K avec un fond typique à 300 K et une optique de collecte ~f/1 (champ de vision de 60°). En termes pratiques, D > 1×10^11 indique que le détecteur peut discerner des niveaux de flux radiant extrêmement faibles – il s’agit de l’une des valeurs de D les plus élevées pour des photodiodes infrarouges à ondes moyennes. La responsivité de crête est généralement supérieure à 3 A/W, ce qui signifie que le détecteur produit plus de 3 ampères de photocourant par watt de rayonnement moyen infrarouge incident à sa longueur d’onde de réponse maximale. Cette responsivité élevée se traduit par une forte sortie électrique même pour des signaux IR incidents modestes, ce qui est avantageux pour des applications telles que la spectroscopie ou la thermographie, où les niveaux de signal peuvent être très faibles. Il convient de noter que D et la responsivité tendent toutes deux à être maximales à l’extrémité des grandes longueurs d’onde du détecteur (juste avant la coupure à 5,5 µm), et qu’elles diminuent légèrement à des longueurs d’onde plus courtes. Globalement, ces chiffres montrent que les détecteurs InSb sont des dispositifs extrêmement sensibles adaptés à la détection de signaux IR infimes.

Le boîtier standard de ces détecteurs InSb est un Dewar cryogénique hermétique avec une fenêtre intégrée transparente à l’infrarouge. En général, une fenêtre en saphir est utilisée, car elle est robuste et transmet le spectre de 1 à 5,5 µm. Plusieurs configurations de Dewar sont proposées : un Dewar métallique à visée latérale (désigné MSL) et un Dewar métallique à visée vers le bas (MDL), chacun étant disponible avec une autonomie d’environ 8 heures ou 12 heures (l’autonomie indique combien de temps le liquide de refroidissement à l’azote liquide dure avant qu’un remplissage soit nécessaire). Par exemple, un Dewar « MSL-8 » signifie une géométrie à visée latérale avec une autonomie LN₂ d’environ 8 heures. Ces options permettent aux utilisateurs de choisir la géométrie la mieux adaptée à leur montage optique – les Dewars à visée latérale sont souvent utilisés lorsque le détecteur doit observer horizontalement depuis le boîtier, tandis que les Dewars à visée vers le bas observent à travers le fond (utile pour des trajets optiques orientés vers le haut ou un montage sur bancs optiques). Tous les Dewars standard sont refroidis à l’azote liquide pour atteindre la température de fonctionnement d’environ 77 K. En outre, les détecteurs peuvent, si nécessaire, être intégrés à des éléments optiques refroidis – par exemple, certaines configurations permettent d’installer un filtre interférentiel refroidi ou un diaphragme d’ouverture à l’intérieur du Dewar, devant le détecteur. Cela permet de limiter le champ de vision spectral ou spatial, réduisant ainsi davantage le bruit de fond pour des exigences de mesure spécifiques. Pour les applications où l’utilisation d’azote liquide n’est pas pratique, ces détecteurs peuvent aussi être utilisés avec des systèmes de refroidissement cryogénique à cycle fermé (ou des refroidisseurs Stirling) conçus pour atteindre des températures similaires, et le fabricant peut également fournir des conseils ou des solutions de boîtier pour ces scénarios.

Dans des conditions de fonctionnement normales, les photodiodes détectrices InSb ne nécessitent aucune tension de polarisation externe – elles sont utilisées en mode photovoltaïque (sans polarisation). Lorsqu’elle est refroidie et à l’équilibre, le point de fonctionnement optimal de la photodiode se situe à zéro volt de polarisation, et le détecteur produit un courant en réponse au rayonnement infrarouge incident. Toutefois, en pratique, on utilise presque toujours avec le détecteur un préamplificateur transimpédance ou un amplificateur à faible bruit similaire pour convertir ce photocourant en un signal de tension mesurable et assurer l’adaptation d’impédance. Le préamplificateur n’amplifie pas seulement ce très faible signal, il peut aussi appliquer une légère polarisation inverse si nécessaire dans certaines conditions. Dans les situations où le niveau de rayonnement infrarouge de fond est très élevé (par exemple si le détecteur est exposé à un large champ ou à une scène chaude), la photodiode peut produire un courant d’offset constant qui l’éloigne du point optimal sans polarisation. Dans ce cas, l’application d’une faible polarisation inverse (via le circuit de l’amplificateur) recentre le point de fonctionnement et maximise la dynamique. Le fabricant propose un préamplificateur dédié conçu pour ces détecteurs InSb, offrant une polarisation réglable (de 0 à +2.5 V typiquement) et un gain variable. L’utilisation du préampli recommandé ou d’un amplificateur à faible bruit équivalent est importante – elle garantit que l’ensemble détecteur + amplificateur reste limité par le bruit du détecteur, ce qui signifie que le bruit de l’amplificateur est inférieur au bruit propre du détecteur. En résumé, il n’est pas nécessaire de polariser le détecteur pour qu’il fonctionne, mais il faut un bon amplificateur pour lire son très faible courant, et cet amplificateur peut introduire une polarisation si l’application l’exige.

Les détecteurs infrarouges InSb sont utilisés dans un large éventail d’applications scientifiques, industrielles et militaires dès qu’une détection IR à ondes moyennes à haute sensibilité est requise. Parmi les exemples les plus courants figurent :

• Thermographie médicale : les détecteurs InSb peuvent capter de très faibles écarts de température dans le diagnostic médical ou la cartographie de la température de surface de la peau, grâce à leur sensibilité dans la bande 3–5 µm où le rayonnement du corps humain est important.
• Imagerie thermique et surveillance : de nombreuses caméras thermiques MWIR et de nombreux systèmes de vision nocturne (en particulier les systèmes d’ancienne génération ou les systèmes refroidis haut de gamme) utilisent des réseaux plans focaux InSb ou des détecteurs uniques balayant une scène. Un détecteur InSb à élément unique peut être utilisé dans un imageur thermique à balayage ou comme capteur de référence dans un équipement d’imagerie thermique étalonné.
• Spectroscopie : les photodiodes InSb servent de détecteurs dans les spectromètres IR pour la chimie, l’analyse des gaz et la science des matériaux. Elles conviennent à la détection de raies d’absorption ou d’émission dans la plage 2–5 µm (par exemple pour les gaz hydrocarbures ou d’autres signatures moléculaires) avec des limites de détection très faibles.
• Radiométrie et étalons IR : en raison de leur réponse stable et prévisible, les détecteurs InSb refroidis sont souvent utilisés dans les mesures radiométriques et les systèmes d’étalonnage comme détecteurs de référence pour la puissance ou l’énergie dans l’infrarouge moyen.
• Recherche scientifique et microscopie IR : dans les laboratoires, les détecteurs InSb peuvent être intégrés à des accessoires de microscope IR, à des configurations de mesure laser (pour des lasers fonctionnant dans la plage 1–5 µm) ou à toute expérience nécessitant la détection de faibles signaux IR moyens. Leur réponse rapide permet également leur utilisation dans des mesures résolues dans le temps de phénomènes IR.

Dans toutes ces applications, les principales raisons de choisir un détecteur InSb sont sa grande sensibilité, son faible bruit (lorsqu’il est refroidi) et ses excellentes performances précisément dans la région de l’infrarouge à ondes moyennes visée.

Les détecteurs photodiodes InSb ont une réponse rapide, mais la largeur de bande globale est influencée par leur capacité de jonction et par l’électronique de lecture. Un détecteur InSb de petite surface (comme l’élément de 1×1 mm) associé à un préamplificateur standard offre généralement une largeur de bande de l’ordre de plusieurs centaines de kilohertz. Par exemple, une configuration classique d’amplificateur transimpédance peut prendre en charge une réponse en fréquence allant du DC jusqu’à environ 150 kHz (cette limite étant souvent due à la constante de temps RC de la capacité du détecteur et de la résistance de rétroaction de l’amplificateur). Toutefois, avec des configurations spéciales à grande vitesse, la largeur de bande peut être étendue jusqu’à la plage basse des mégahertz. En utilisant un détecteur plus petit (pour réduire la capacité), en appliquant une légère polarisation inverse (qui réduit également la capacité effective et accélère la collecte des porteurs), et en recourant à une conception d’amplificateur rapide, il est possible d’atteindre des largeurs de bande d’environ 1–5 MHz. Le fabricant indique d’ailleurs que, avec des configurations sur mesure, des largeurs de bande allant jusqu’à 5 MHz sont disponibles pour les détecteurs InSb. Il est important d’adapter le préamplificateur et les réglages de polarisation à la vitesse souhaitée : obtenir la largeur de bande maximale en MHz peut se faire au détriment d’une partie de la sensibilité (car l’introduction d’une polarisation peut légèrement augmenter le bruit). Pour la plupart des applications telles que la spectroscopie ou l’imagerie thermique, la largeur de bande standard de <0.2 MHz est largement suffisante. En revanche, pour des mesures laser infrarouges résolues dans le temps ou des systèmes de balayage rapide, les détecteurs peuvent être configurés pour ces fréquences plus élevées.